基于PID的直流电机调速系统开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、选题的目的及意义

直流电机问世已有一百四十多年的历史。在设计和制造技术上有很大进步,新材料、新技术的应用以及整流电源的普及,促进了一般工业用直流电机的不断扩大,品种的日益繁多。从小至数瓦,大到万余千瓦,广泛地用于冶金、矿山、煤炭、起重运输、机床制造、纺织印染等各个部门中,特别是近几年电子计算技术广泛应用在直流电机设计制造中。直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速。早期直流电动机的控制均以模拟分离器件构成，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，控制精度及可靠性低，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。20世纪70年代以来，利用单片机作为控制器开始在电机控制系统中被广泛应用。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。

目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，小型化、智能化已成为它发展的趋势。

单片机取代模拟电路作为电动机的控制器，具有如下特点：1）使电路更简单，模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路更复杂，采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件来实现。2）可以实现较为复杂的控制，微处理器具有更强的逻辑功能，运算速度快，精度高，有大容量的存储单元。因此，有能力实现复杂的控制。3）灵活性和适应性，微处理器的控制方式是有软件来实现的，如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只须修改程序即可，在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。4)无零点漂移，控制精度高，数字控制不会出现模拟电路中经常遇见的零点漂移问题，无论被控量是大还是小，都可以保证足够的控制精度。5）可以提供人机界面，多机连网工作。

基于PID的直流电机调速正是以此为出发点,利用单片机来实现对电机转速的监测和控制。

二、PID原理以及PID的数字化

（一 ）模拟PID调节器

1、模拟PID控制系统组成

模拟PID控制系统原理框图

2、模拟PID调节器的微分方程和传输函数

PID调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1）、PID调节器的微分方程

式中

2）、PID调节器的传输函数

3、PID调节器各校正环节的作用

1）、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

2）、积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。

3）、微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号的值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。

（二）数字PID控制器

1、模拟PID控制规律的离散化

2、数字PID控制器的差分方程

式中 称为比例项

称为积分项

称为微分项

3、常用的控制方式

1）、P控制

2）、PI控制

3）、PD控制

4）、PID控制

4、PID算法的两种类型

1）、位置型控制――例如下图调节阀控制

2）、增量型控制――例如下图步进电机控制

三、国内外研究现状综述

随着各种微处理器的出现和发展，国外对直流电机的数字控制调速系统的研究在不断发展和完善目前，国外主要的电气公司，均已开发出数字式直流调装置，有成熟的系列化、标准化、模版化的应用产品供选用。根据当前单片机发展的趋势，国外的微电子技术和计算机技术的发展也得到广泛的应用使调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。我国科研单位都在致力研究由单片机控制直流电机的调速系统，并通过各种控制算法来多方面研究。

四、参考文献

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[7]何忠悦，周小红.基于PID算法的直流电机PWM调速控制器设计[J].计算机光盘软件与应用，2011，20(2):80-86.

[7]李景峰，杨丽娜，潘恒.Visual C 串口通信技术详解[M]. 机械工业出版社;第1版

[8]龚建伟，熊光明. Visual C /Turbo C串口通信编程实践[M].电子工业出版社，2004

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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

一、要解决的问题

课题要求设计一个以atmega16为核心的直流电机调速系统，要求在程序中加入pid算法，使转速调节有较低的超调量，较短的调节时间，较小的稳态误差。可以准确的控制直流电动机的转速，并通过串口将当测量到的转速发送到pc机，通过串口调试助手发送要设定的转速到单片机中控制电机转速。要求能够实现对直流电机转速的精准调节，通过串口与上位机通信。

二、拟采用的研究手段